基于半闭环控制的三坐标测量机的平面测量研究

　　目前国内外坐标测量机大多数采用精密光栅作位置反馈元件,实现全闭环控制。但是光栅系统造价很高,对环境要求严格,维护比较困难,所以在工业现场应用的测量机会采用其它测量系统。例如测量钢铁行业的工字钢结晶器,其测量地点是在生产车间,环境恶劣,测量精度要求相对不高,因此可以采用精密丝杠同时作为传动件和测量件。丝杠传动具有精度高、分辨率高、空程与回程误差小等优点,易于实现精确定位。反映在系统测量上,同样具有上述特点,并且价格低廉,易于维护,对环境依赖性不强,降低了系统结构的复杂性,提高了系统性能的稳定性。这种测量系统实际上是对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样,在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统。但是对于传动链上的间隙及误差还不能补偿克服,只能形成半闭环的位置控制系统。不过这部分误差对整体结果的影响不大,通常会在测量软件中对它进行近似补偿。

　　1　半闭环控制测量原理

　　测量机主机由X工作台1、Y工作台3、Z向立柱4、横梁6、测杆7等组成,如图1所示。XY工作台直接建立在机座上,形成双层工作台,带动立柱4作XY向运动。测杆7固定在横梁6上,由横梁6带动测杆7在立柱4上作Z向运动。三轴导轨均为四方向等载荷型滚动直线导轨,具有随动性好、定位精度高、运动刚度高、可校性好等优点。

　　测量机使用交流伺服电机2、5作为驱动电机,并通过内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠9传动,将伺服电机的动作传递给工作台和测量臂,进而带动测头的动作。同时,滚珠丝杠9还是测量件,它具有3精度,可充分保证测量系统的精度。

　　执行测量任务时,半闭环运动控制系统驱动电触式开关测头沿工字钢内腔作点位探测。当触发中断时,读取伺服电机进给的脉冲数,乘以一定的转换系数,得到测点的坐标值。采集完一系列测点的空间坐标值后,经过数据处理和误差修正,即可得到满足测量要求的结果。

　　2　测点坐标采集

　　测量机首先要确定被测几何元素,然后才能执行相应的测量命令。下面就以在工字钢结晶器的平面部分的测点采集来说明系统处理的主要步骤。所有测量运动都是在机器坐标系上进行的,而误差评定则在工件坐标系上进行。测量方法为点位接触式测量。

　　2·1　手动测量

　　首先用电子手轮即脉冲发生器驱动电机带动测头运动,粗测被测平面,采集一系列特征点,经数学变换获得被测平面的法向量和测量前进方向。在最后一次采点时,测头接触被测面给出中断信号后,测头返回至安全平面上。安全平面与被测平面的距离为安全距离,安全距离的设置要合理,既要小于被测工件的内尺寸,又要保证测头的安全。